研究人员在纳米尺度设备中观察类脑行为研究人员在纳米尺度设备中观察类脑行为

加州大学洛杉矶分校的科学家James Gimzewski和Adam Stieg是一个国际研究团队的成员，该团队朝着创造思维机器的目标迈进了一大步。

在日本国家材料科学研究所的研究人员的带领下，研究小组创造了一个实验装置，该装置显示出与大脑某些行为类似的特征。学习，记忆，遗忘，清醒和睡眠。这篇发表在《科学报告》(Scientific Reports)上的论文描述了一个处于不断变化状态的网络。

这是一个介于有序与混沌之间，处于混沌边缘的系统。加州大学洛杉矶分校杰出的化学和生物化学教授、加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所的成员、该研究的合著者Gimzewski说。该设备不断进化和变化的方式模仿了人类大脑。它会产生不同类型的行为模式，而不会重复。”

这项研究是朝着最终使计算机在物理和功能上与大脑相似的道路上迈出的第一步。这些机器可能能够解决当代计算机难以解决的问题，而且所需的能量可能比今天的计算机少得多。

研究人员研究的设备是由一团银纳米线组成的平均直径只有360纳米。(纳米是一米的十亿分之一。)纳米线被涂上大约1纳米厚的绝缘聚合物。总的来说，这个装置的尺寸大约是10平方毫米。小到25个硬币就够了。

允许纳米线在硅片上随机自组装，它们形成了高度互连的结构，与形成大脑新皮层的结构非常相似。新皮层是大脑中负责语言、感知和认知等高级功能的部分。

将纳米线网络与传统电子电路区别开来的一个特点是，通过纳米线的电子会改变网络的物理结构。在这项研究中，电流导致银原子从聚合物涂层内迁移，并在两根纳米线重叠的地方形成连接。这个系统有大约1000万个这样的连接，类似于大脑细胞连接和交流的突触。

研究人员将两个电极连接到类似大脑的网状结构上，以分析网络的表现。他们观察了“涌现行为”，这意味着网络作为一个整体表现出的特征不能归因于组成它的各个部分。这是另一个特征，使网络类似于大脑，并将其与传统计算机区分开。

当电流通过网络后，纳米线之间的连接在某些情况下会持续一分钟之久，这类似于大脑的学习和记忆过程。其他时候，在充电结束后，这些连接会突然关闭，模仿大脑的遗忘过程。

在其他的实验中，研究团队发现，当输入的能量较少时，该设备表现出的行为与神经科学家使用功能性核磁共振成像(MRI)扫描拍摄睡眠中的人的大脑图像时所看到的一致。随着能量的增加，纳米线网络的行为与清醒的大脑相对应。

这篇论文是一系列将纳米线网络视为大脑启发系统的出版物中的最新一篇，这是Gimzewski与加州大学洛杉矶分校的研究科学家、CNSI的副主任Stieg一起帮助开拓的一个研究领域。

我们的方法可能有助于产生既节能又能处理挑战现代计算机极限的复杂数据集的新型硬件。这项研究的作者之一Stieg说。

纳米线网络的边缘混沌活动不仅类似于大脑内部的信号，也类似于其他自然系统，如天气模式。这可能意味着，随着进一步的开发，未来版本的设备可以帮助建模这样复杂的系统。

在其他的实验中，Gimzewski和Stieg已经成功地设计出一种银色的纳米线装置，能够根据前几年的数据成功地预测洛杉矶交通模式的统计趋势。交通数据。

由于它们与大脑内部的工作原理相似，未来基于纳米线技术的设备也可以像大脑自身的处理一样展示出能源效率。人脑的用电量大致相当于一个20瓦白炽灯的用电量。相比之下，计算机服务器则是执行工作密集型任务的地方。从训练机器学习到执行互联网搜索-可以使用相当于许多家庭的能源的价值，以及随之而来的碳足迹。

“在我们的研究中，我们有一个更广泛的使命，而不仅仅是重新编程现有的计算机，”Gimzewski说。“我们的愿景是一个最终能够处理更接近人类操作方式的任务的系统。”

该研究的第一作者Adrian Diaz-Alvarez来自日本国家材料科学研究所的材料纳米结构国际中心。合著者包括Tomonobu Nakayama和Rintaro Higuchi，他们也来自NIMS;以及澳大利亚悉尼大学的Zdenka Kuncic。